Perché la forza di spinta non è l’unico parametro da considerare
Quando un cilindro idraulico viene utilizzato per mantenere in posizione un carrello, un tassello o un cuneo all’interno di uno stampo a iniezione, la scelta del cilindro non può essere basata esclusivamente sulla forza necessaria per spingere il componente.
È necessario considerare anche ciò che accade durante la fase opposta del movimento.
In particolare, un sistema di bloccaggio può richiedere una determinata forza per mantenere il carrello in posizione e una forza diversa per sbloccarlo e riportarlo nella posizione iniziale.
Questo rende la scelta del cilindro più complessa rispetto a un semplice calcolo della forza teorica.
Il caso analizzato dal Vega Team mostra proprio questa situazione.
1. Il primo passo: calcolare la forza necessaria a mantenere il carrello
Per scegliere correttamente un cilindro di bloccaggio è necessario partire dalle condizioni meccaniche dello stampo.
Nel caso analizzato, il calcolo considerava:
- superficie di 158 cm² × 2;
- pressione plastica ipotizzata nella cavità di circa 350 bar;
- inclinazione del cuneo di 10°;
- coefficiente di attrito ipotizzato pari a 0,1.
Sulla base di questi valori, il Vega Team calcolò una forza totale di spinta necessaria a mantenere il carrello/cuneo in posizione di circa:
10.000 kgf
Questo valore costituisce il punto di partenza per la scelta del cilindro.
Ma non è necessariamente sufficiente.
2. La forza di spinta non racconta tutta la storia
Un errore frequente nel dimensionamento di un cilindro è considerare soltanto la forza necessaria per spingere il componente.
In un sistema con cuneo o carrello, infatti, il cilindro può lavorare in due condizioni differenti:
Fase di bloccaggio
Il cilindro deve generare una forza sufficiente a mantenere il carrello nella posizione richiesta.
Fase di sblocco
Il cilindro deve generare una forza sufficiente a vincere le resistenze che si oppongono al ritorno del carrello.
Le due condizioni non sono necessariamente equivalenti.
Nel caso analizzato, il Vega Team sottolineò proprio questo aspetto: la forza di spinta del V260 non risultava necessariamente il problema principale; la criticità poteva invece essere la forza di trazione durante la fase di sblocco.
3. Perché la forza di trazione può essere più difficile da calcolare?
La difficoltà principale riguarda l’attrito.
Quando il cilindro deve spostare il carrello nella direzione opposta, la forza necessaria dipende dalle condizioni reali del sistema:
- geometria del cuneo;
- angolo delle superfici;
- carico applicato;
- pressione nella cavità;
- coefficiente di attrito;
- condizioni delle superfici;
- lubrificazione;
- eventuali deformazioni;
- tolleranze dello stampo.
Il Vega Team osservò infatti che l’effetto dell’attrito durante la fase di trazione non è facile da calcolare.
Questo è un punto molto importante per chi deve scegliere un cilindro per un’applicazione reale.
Un calcolo teorico può fornire una buona indicazione, ma non sempre rappresenta perfettamente il comportamento del meccanismo durante il ciclo.
4. Un cilindro può essere sufficiente in spinta ma non in trazione
Questo è probabilmente il concetto più importante dell’intero caso.
Immaginiamo che un cilindro abbia una forza sufficiente per mantenere il carrello in posizione.
Questo non significa automaticamente che abbia una forza sufficiente per riportarlo indietro.
La differenza nasce dalla geometria del cilindro.
In un cilindro a doppio effetto, infatti, la forza disponibile sul lato stelo è inferiore rispetto alla forza disponibile sul lato pistone a parità di pressione, perché la superficie effettiva è ridotta dalla sezione dello stelo.
Per questo motivo, quando il cilindro deve svolgere entrambe le funzioni, è necessario verificare entrambe le forze.
5. Il concetto di area effettiva
La forza idraulica dipende dalla pressione e dalla superficie efficace del pistone.
In termini semplificati:
Forza = Pressione × Area
Ma la superficie efficace non è sempre la stessa.
Sul lato senza stelo viene utilizzata l’intera area del pistone.
Sul lato con stelo, invece, bisogna sottrarre l’area occupata dallo stelo.
Questo significa che:
Forza in spinta > Forza in trazione
a parità di pressione, quando il cilindro ha uno stelo.
Per questo motivo non è corretto dimensionare un cilindro considerando soltanto la forza di spinta.
6. La prima proposta: CM100
Sulla base del primo calcolo, il Vega Team indicò come possibile soluzione un cilindro della serie CM100, da utilizzare a una pressione minima di lavoro di 140 bar.
La proposta era basata sulla forza teorica necessaria per mantenere il carrello/cuneo in posizione.
Il Vega Team indicò inoltre una seconda possibilità:
CR125
con una pressione minima di lavoro di:
100 bar.
Il Cliente venne invitato a eseguire le proprie verifiche.
Questo è importante perché il calcolo del cilindro deve essere sempre confrontato con le condizioni effettive del meccanismo.
7. Perché il calcolo non deve essere considerato definitivo?
Nel dimensionamento di un cilindro per uno stampo, alcuni dati sono necessariamente delle ipotesi.
Nel caso analizzato vennero utilizzati:
- pressione plastica ipotizzata;
- coefficiente di attrito ipotizzato;
- geometria del cuneo;
- superficie interessata.
Il documento specifica chiaramente che alcuni di questi valori erano ipotetici.
Questo significa che il risultato del calcolo deve essere considerato come una base tecnica per la selezione del cilindro, non come una garanzia assoluta del comportamento dello stampo.
8. Il problema del coefficiente di attrito
Il coefficiente di attrito può avere un’influenza molto significativa sul risultato.
Nel calcolo iniziale venne utilizzato un valore ipotetico di:
μ = 0,1
Ma nella realtà il coefficiente di attrito può dipendere da numerosi fattori.
Per esempio:
- materiale delle superfici;
- rugosità;
- lubrificazione;
- pressione di contatto;
- temperatura;
- usura;
- contaminazione;
- condizioni di manutenzione.
Una piccola variazione dell’attrito può quindi modificare la forza richiesta al cilindro.
9. Il cuneo può amplificare le forze
La presenza di un cuneo rende il problema particolarmente interessante.
Un piccolo movimento del cilindro può produrre una forza elevata sul componente bloccato, grazie alla geometria inclinata.
Ma lo stesso principio può funzionare anche nella direzione opposta.
Durante lo sblocco, le forze generate dalle superfici inclinate e dall’attrito possono opporsi al movimento.
Per questo motivo, il progettista deve considerare il meccanismo completo e non soltanto la forza nominale del cilindro.
10. La fase di sblocco è spesso quella da verificare con maggiore attenzione
Il Vega Team evidenziò esplicitamente che il possibile problema del V260 riguardava la fase di sblocco, perché il cilindro non disponeva di una forza di trazione superiore.
Questa osservazione è molto utile come regola generale:
Quando un cilindro viene utilizzato per un sistema di bloccaggio, verificare sempre sia la forza di bloccaggio sia la forza necessaria allo sblocco.
Non è sufficiente controllare una sola direzione del movimento.
11. Il secondo dimensionamento: CF056
Dopo un’ulteriore verifica, il Vega Team indicò come possibile soluzione il cilindro:
CF056
da utilizzare a una pressione minima di lavoro di:
160 bar.
Anche in questo caso, il Cliente venne invitato a effettuare le proprie verifiche.
La scelta finale dipende infatti dalle condizioni reali del sistema e dal modo in cui il cilindro viene integrato nello stampo.
12. Perché il modello può cambiare dopo il primo calcolo?
Questo caso mostra bene come il dimensionamento di un cilindro possa evolvere.
La sequenza è stata:
calcolo della forza teorica
↓
prima selezione del cilindro
↓
analisi della forza di trazione
↓
verifica della fase di sblocco
↓
nuova selezione
Questo è un approccio corretto quando il cilindro non viene utilizzato semplicemente per una movimentazione lineare, ma come parte di un meccanismo complesso.
13. La scelta del cilindro non dipende soltanto dal diametro
Quando si confrontano cilindri diversi, non bisogna guardare soltanto al diametro nominale.
È necessario considerare:
- area effettiva del pistone;
- diametro dello stelo;
- forza in spinta;
- forza in trazione;
- pressione minima;
- pressione massima;
- corsa;
- velocità;
- ingombri;
- sistema di fissaggio.
Nel caso analizzato, il passaggio tra diverse famiglie di cilindri dimostra proprio che la selezione deve essere effettuata in funzione delle condizioni di carico reali.
14. Il ruolo della pressione minima
Un altro elemento importante del caso è che il Vega Team non indicò semplicemente un modello di cilindro, ma specificò anche la pressione minima di lavoro associata alla proposta.
Per il CM100 vennero indicati:
140 bar
mentre per il CR125:
100 bar.
Successivamente, per il CF056, vennero indicati:
160 bar.
Questo dimostra che il modello del cilindro e la pressione di alimentazione devono essere considerati insieme.
15. Non basta dire “questo cilindro ha abbastanza forza”
Una risposta tecnica corretta dovrebbe invece essere:
“Con queste condizioni di carico, questo cilindro può fornire la forza richiesta a una determinata pressione minima.”
Questo approccio è molto più preciso.
La forza disponibile dipende dalla pressione effettiva del circuito.
Di conseguenza, la scelta del cilindro deve essere collegata alla pressione alla quale il sistema può realmente lavorare.
16. Il Cliente deve verificare le condizioni reali
Nel caso documentato, il Vega Team concluse le proprie indicazioni invitando il Cliente a effettuare le proprie verifiche.
Questo non significa che il calcolo Vega non sia utile.
Al contrario, significa che il produttore del cilindro può fornire:
- dimensionamento preliminare;
- calcoli di forza;
- indicazione del modello;
- pressione minima di riferimento;
ma il progettista dello stampo conosce le condizioni reali dell’applicazione e deve verificare il comportamento dell’intero meccanismo.
17. Perché il produttore del cilindro non può conoscere tutte le condizioni dello stampo?
Il cilindro è soltanto uno dei componenti del sistema.
Il comportamento finale dipende anche da:
- geometria del carrello;
- geometria del cuneo;
- materiali;
- superfici di scorrimento;
- guide;
- lubrificazione;
- pressione effettiva nella cavità;
- tolleranze;
- deformazioni dello stampo;
- condizioni operative.
Il produttore può quindi dimensionare il cilindro sulla base dei dati ricevuti.
Ma la verifica definitiva deve considerare il sistema completo.
18. Una procedura pratica per scegliere il cilindro di bloccaggio
Per applicazioni di questo tipo è consigliabile seguire una procedura strutturata.
Step 1 – Definire la forza di bloccaggio
Calcolare la forza necessaria per mantenere il carrello o il cuneo nella posizione richiesta.
Step 2 – Definire la pressione della cavità
Utilizzare il valore effettivo o, quando non disponibile, un valore ipotetico chiaramente identificato come tale.
Step 3 – Definire la geometria
Considerare:
- superficie;
- angolo del cuneo;
- direzione delle forze.
Step 4 – Definire l’attrito
Utilizzare un coefficiente realistico e verificare quanto il risultato sia sensibile alla sua variazione.
Step 5 – Calcolare la forza di spinta
Verificare la capacità del cilindro di mantenere il sistema bloccato.
Step 6 – Calcolare la forza di trazione
Questa fase è fondamentale per verificare lo sblocco.
Step 7 – Considerare il diametro dello stelo
La superficie utile in trazione è inferiore rispetto a quella in spinta.
Step 8 – Determinare la pressione minima necessaria
Verificare a quale pressione il cilindro raggiunge la forza richiesta.
Step 9 – Verificare gli ingombri
Il cilindro deve poter essere installato nello stampo.
Step 10 – Verificare il meccanismo completo
La selezione finale deve essere verificata dal progettista dello stampo.
19. Cosa chiedere al Cliente
Quando arriva una richiesta di dimensionamento per un cilindro di bloccaggio, è utile raccogliere almeno:
- disegno del meccanismo;
- superficie interessata;
- pressione nella cavità;
- angolo del cuneo;
- direzione del movimento;
- forza richiesta;
- coefficiente di attrito stimato;
- pressione disponibile nell’impianto;
- corsa;
- spazio disponibile;
- condizioni di lubrificazione;
- eventuali carichi laterali.
Nel caso analizzato, il disegno fornito dal Cliente era fondamentale per effettuare il primo calcolo.
20. Una regola importante: calcolare entrambe le direzioni
Quando un cilindro viene utilizzato per un sistema di bloccaggio, è buona pratica creare sempre due verifiche separate:
Verifica A – Bloccaggio
Il cilindro può mantenere il carrello in posizione?
Verifica B – Sblocco
Il cilindro può liberare il carrello quando richiesto?
Il secondo controllo può essere particolarmente importante nei sistemi con:
- cunei;
- superfici inclinate;
- carrelli;
- meccanismi autobloccanti;
- forti forze di attrito.
Il caso analizzato dimostra esattamente questa situazione: il problema potenziale non era soltanto la spinta, ma la capacità di trazione durante lo sblocco.
21. Conclusione
La scelta di un cilindro idraulico per il bloccaggio di un carrello o di un cuneo in uno stampo a iniezione richiede un’analisi più completa rispetto al semplice calcolo della forza di spinta.
Nel caso analizzato, il Vega Team calcolò una forza totale di circa 10.000 kgf sulla base di una superficie di 158 cm² × 2, una pressione plastica ipotizzata di circa 350 bar, un angolo del cuneo di 10° e un coefficiente di attrito ipotizzato di 0,1.
Sulla base di questo calcolo vennero considerate inizialmente diverse soluzioni, tra cui un CM100 a una pressione minima di 140 bar e un CR125 a 100 bar.
Successivamente, il Vega Team evidenziò un aspetto ancora più importante: il problema poteva verificarsi durante la fase di sblocco, perché la forza di trazione del V260 non era necessariamente sufficiente e l’effetto dell’attrito durante la trazione era difficile da determinare con precisione.
Una successiva valutazione portò a considerare il CF056, con una pressione minima di lavoro indicata di 160 bar. Anche in questo caso il Cliente venne invitato a effettuare la propria verifica.
La lezione tecnica è quindi chiara:
Per scegliere un cilindro idraulico destinato al bloccaggio di un carrello o di un cuneo, non bisogna verificare soltanto la forza di spinta necessaria a mantenere il sistema in posizione. È indispensabile verificare anche la forza di trazione necessaria durante lo sblocco, considerando la riduzione dell’area efficace dovuta allo stelo e l’influenza dell’attrito.
Il corretto dimensionamento nasce quindi dall’analisi dell’intero meccanismo, non soltanto dal confronto tra la forza nominale del cilindro e una singola forza calcolata.
URL utili e verificati
- Vega Cylinders – Cilindri idraulici per stampi — è il link principale alla gamma italiana di cilindri idraulici Vega per stampi, utile per collegare l’articolo alla scelta del cilindro.
- Vega V400CL – Cilindro idraulico integrato a corsa breve — utile nella parte dedicata alla scelta del cilindro in funzione di ingombri, alesaggio e corsa. La pagina mostra diverse combinazioni di alesaggio e corsa.
- Meccanismi di Estrazione con Tassello Quadrato – Vega Cylinders Blog — questo è probabilmente il link interno più importante per l’articolo. L’articolo tratta carrelli, cunei, forze di estrazione, attrito, funzione di bloccaggio e dimensionamento dei sistemi di estrazione laterale.
